Erster Iod-Antrieb im Orbit

Potenzial zum „Game-Changer“: Forscher haben einen neuartigen Raumantrieb auf Iod-Basis entwickelt und erstmals erfolgreich in einem Satelliten getestet. Statt der bisher für Ionenantriebe gängigen Edelgase Xenon oder Krypton nutzt das neue System festes Iod. Dieses wird erhitzt, ionisiert und als Plasmastrom ausgestoßen. Weil Iod billig, reichlich verfügbar und einfacher zu handhaben ist als die Edelgase, könnte dies die Antriebstechnik für Satelliten-Konstellationen und Raumsonden revolutionieren.

Raumsonden und Satelliten bekommen ihren Schub heute oft nicht mehr von chemischen Treibstoffen, sondern elektrischen Systemen – meist in Form von Ionenantrieben. Bei diesen werden Strom und Magnetfelder eingesetzt, um ein Gas zu ionisieren, das resultierende Plasma durch elektrostatische Kräfte zu beschleunigen und mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen. Solche Ionenantriebe sind effizient und benötigen wenig Treibstoff und Platz. Die meisten neueren geostationären Satelliten und einige Raumsonden nutzen deshalb schon solche Antriebe.

Das Problem jedoch: Der gängige Treibstoff für die Ionenantriebe ist meist Xenon. Dieses Edelgas ist aber auf der Erde extrem rar und seine Gewinnung teuer und begrenzt. „Mit dem Boom der Satelliten-Megakonstellationen könnte die Nachfrage nach Xenon das Angebot schon in den nächsten zehn Jahren überschreiten“, erklären Dmytro Rafalskyi vom französischen Startup „Thrust Me“. Zudem muss das Xenon an Bord in speziellen Hochdrucktanks gespeichert werden, wodurch aufwändige Technik nötig wird.

Festes Halogen statt Edelgas

Deshalb haben die Wissenschaftler nach einem Ionen-Treibstoff gesucht, der günstiger und einfacher handhabbar ist – und wurden beim Iod fündig. Dieses Halogen hat gegenüber dem Xenon gleich mehrere Vorteile. „Iod ist signifikant billiger und häufiger als Xenon“, erklärt Rafalskyi. Zudem ist Iod bei Temperaturen unter 100 Grad und Normaldruck fest und dreimal dichter als Xenon, so dass es nicht in Drucktanks transportiert werden muss.

Auch die Kosten sind erheblich niedriger: „Die Kosten für den Iod-Treibstoff lagen bei rund 60 US-Dollar, dazu kamen zusätzlich rund 200 Dollar für die benötigte Hardware“, so das Team. Bei einem gleichgroßen Xenon-Triebwerk entfallen dagegen rund 1.275 US-Dollar allein auf das Gas. Die Kosten für die Hochdruck-Tanks aus Titan, Ventile und weitere Hardware liegen um das rund Hundertfache höher als beim Iod.

Ein weiterer Vorteil: „Iod hat eine niedrigere Ionisationsschwelle und es hat in zweiatomiger Form eine fast doppelt so hohe Masse wie Xenon“, erklären die Forscher. Beides erhöht den Schub im Verhältnis zur zugeführten elektrischen Energie.

Vom Iod zum Plasmaschub

Für den Iod-Antrieb wird das Iod zunächst geschmolzen und dann in ein keramisches Gerüst aus Aluminium- und Zinkoxid gegossen. Beim Erkalten wird das Halogen dann fest und kann als Block in den Tank des Systems gesetzt werden. Weil Iod Metalle korrodiert, sind die Innenflächen des Tanks und anderer Metallteile mit einer Polymerschicht überzogen. Um den Antrieb in Gang zu bringen, wird das Iod durch elektrische Heizelemente erhitzt und zum Sublimieren gebracht.

Das Iodgas strömt dann in eine Plasmakammer, in der eine Radiofrequenz-Antenne ein elektrisches Feld aufbaut, das die Iodatome ionisiert. Der so erzeugte Strom aus positiv geladenen Iod-Ionen wird durch geladene Gitter elektrostatisch beschleunigt. Kurz vor dem Austritt aus der Antriebsdüse fügt eine Kathode dem Ionenstrom wieder Elektronen zu, so dass das Plasma neutral wird. Der austretende Plasmastrahl erzeugt dann den benötigten Schub.

Tests ergaben, dass dieses System sehr effizient läuft: „Für die gleiche Massen-Flussrate und Radiofrequenz-Leistung wird mit Iod ein fast 50 Prozent stärkerer Teilchenstrahl erzeugt als mit Xenon“, berichten die Wissenschaftler.

Erster Test eines Iod-Antriebs im Weltraum

Wie gut ein Iod-Antrieb im Weltraum funktioniert, hat das Team ebenfalls schon getestet – es ist der erste Test dieser Antriebsart im Erdorbit. Dafür rüsteten Rafalskyi und seine Kollegen einen rund 20 Kilogramm schweren Cubesat-Minisatelliten mit dem neuen Antrieb aus. Das System inklusive aller Subsysteme hatte nur die Größe eines Würfels mit zehn Zentimeter Kantenlänge. Im November 2020 wurde der Satellit mit einer chinesischen Trägerrakete von Typ Langer Marsch in die niedrige Erdumlaufbahn gebracht.

In insgesamt elf Tests wurde das Iod-Triebwerk des Cubesat gestartet und für verschiedenen Flugmanöver genutzt. Der Schub variierte dabei zwischen 0,35 und 0,8 Millinewton und die Leistung bei 50 bis 60 Watt, wie das Team berichtet. Dies reichte aus, um den Minisatelliten messbar zu bewegen. Auch simulierte Ausweichmanöver, wie sie zur Vermeidung von Kollisionen nötig sind, wurden erfolgreich durchgeführt.

Potenzial zum „Game-Changer“

„Unsere Arbeit zeigt damit, dass Iod nicht nur ein nutzbarer Ersatz-Treibstoff für Xenon ist, sondern dass er sogar eine verbesserte Leistung bringt“, konstatieren Rafalskyi und seine Kollegen. Im Zuge der wachsenden Mega-Konstellationen aus tausenden Satelliten und anderen neuen Raumfahrtanwendungen sei ein reichlich verfügbarer und druckfrei lagerbarer Treibstoff wie Iod ein großer Vorteil.

Großes Potenzial sehen auch Igor Levchenko von der Technischen Universität Nanyang in Singapur und Kateryna Bazaka von der Australian National University. In einem begleitenden Kommentar schreiben sie: „Dieses einfache und effiziente System könnte ein Game-Changer für Systeme mit kleinen Satelliten werden.“ (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-04015-y)

Quelle: Nature, ThrustMe